苍蝇的大脑能够通过矢量数学计算飞行方向。(Meishel Desouto)
导航并不总是像计划的那样顺利——当强劲的逆风使它们与前进的翅膀背道而驰时，苍蝇就会从中吸取教训。鱼儿游向上游，螃蟹横冲直撞，甚至连向左看的人也面临着类似的挑战。当动物的头部指向一个方向，而身体却朝着另一个方向运动时，大脑是如何计算出动物行进的方向的，这是神经科学中的一个谜。
一项新的研究在解决这一谜题上取得了重大进展，该研究报告称，苍蝇的大脑中有一组神经元，它们向身体行进的方向发出信号，而与头部指向的方向无关。这项发表在《自然》杂志上的发现还详细描述了苍蝇的大脑如何从更基本的感官输入中计算出这个信号。
洛克菲勒神经学家加比·迈蒙(Gaby Maimon)说:“这些神经元不仅向苍蝇发出飞行方向的信号，而且在以世界为晴天外挂中心的参考系中也是如此。”值得注意的,第一作者程律补充说,研究生在迈实验室,是这些昆虫将body-referenced感官输入转化成world-referenced信号,让飞知道它是旅行,例如,90度太阳或向北的权利。
发现一个人的地方
即使当我们闭上眼睛，我们通常也能很好地记住我们在房间里的位置和我们面对的方向。这是因为，即使在黑暗中，我们的大脑也会对我们在太空中的位置形成一种内部理解。在20世纪80年代，科学家们发现一组被称为“头部方向细胞”的细胞在让我们知道我们的角度方向方面发挥着关键作用，后来发现苍蝇也有类似功能的细胞。这些细胞的活动指示了头部指向的角度，类似于指南针指示一个人在环境中的方向。
只要我们在走路——或者苍蝇在飞——朝着头部朝向的同一个方向，一切都很好。头部方向细胞可以用来更新一个人的内部感觉去哪里。但是，如果我们面朝东向北走，或者如果一只苍蝇试图嗡嗡地向前走，而风却把它向后推，那么头部方向单元就会指向错误的方向。然而，这个体系仍然有效。苍蝇相对来说不会受到气流的干扰，而人类在旋转着欣赏风景时也不会迷路。Lyu和Maimon想知道苍蝇是如何知道它们要去哪里的，即使它们的头部方向细胞似乎在传递不准确的信息。
为了回答这个问题，吕先生将果蝇粘在只固定其头部的微型安全带上，这样他就可以记录果蝇的大脑活动，同时让果蝇自由扇动翅膀，在虚拟环境中操纵它们的身体。这个设置包含了几个视觉线索，包括代表太阳的明亮光线和一个可以调整的暗点区域，让苍蝇感觉被吹向后面或侧面。
正如预期的那样，头部方向细胞一致地指示苍蝇朝向太阳的方向，这是通过强光模拟出来的，与较暗点的运动无关。此外，研究人员还发现了一组新的细胞，这些细胞可以指示苍蝇行进的方向，而不仅仅是它们头部指向的方向。例如，如果苍蝇在被吹向后方的同时，直接朝向东方的太阳，这些细胞表明苍蝇(实际上)是在向西飞行。迈蒙说:“这是已知的第一组细胞，在以世界为中心的参考系中指示动物的运动方向。”
精神上的数学
但研究小组还想知道苍蝇的大脑是如何在细胞水平上计算出动物的旅行方向的。Lyu和Maimon与哥伦比亚大学祖克曼研究所的理论学家Larry Abbott合作，证明苍蝇的大脑参与了一种数学练习。
一个物理专业的学生画出一个物体的轨迹会把轨迹分解成运动的分量，沿着x轴和y轴。类似地，在苍蝇的大脑中，对视觉运动敏感的四类神经元以四个轴的组成部分指示苍蝇的行进方向。每一类神经元可以被认为是一个数学向量。矢量的角度指向其相关轴的方向。矢量的长度表示苍蝇沿着这个方向移动的速度。“令人惊讶的是，苍蝇大脑中的神经回路旋转这四个向量，使它们与太阳的角度正确对齐，然后把它们加起来，”迈蒙说。“结果是一个指向苍蝇飞行方向的输出矢量，参考太阳。”
向量数学不仅仅是计算的类比。相反，苍蝇的大脑似乎是在执行向量运算。在这个电路中，神经元群体明确地将矢量表示为活动的波，波的位置代表矢量的角度，波的高度代表它的长度。研究人员甚至通过精确地控制四个输入矢量的长度来测试这一想法，并表明输出矢量的变化就像苍蝇将矢量相加一样。
“我们强烈认为，这里发生的一切是大脑中向量数学的明确实现。”迈蒙说。“这项研究的独特之处在于，我们用大量的证据展示了神经元回路是如何实现相对复杂的数学运算的。”
理解空间认知
目前的研究阐明了苍蝇在某一时刻是如何判断它们要走的方向的。未来的研究将研究这些昆虫如何跟踪它们的旅行方向，以了解它们最终的目的地。Lyu说:“一个核心问题是，大脑如何整合与动物旅行方向和速度相关的信号，从而形成记忆。”“研究人员可以把我们的发现作为一个平台，来研究大脑中的工作记忆是什么样的。”
这一发现可能对人类疾病也有影响。由于空间混乱通常是阿尔茨海默病的早期症状，许多神经学家对大脑如何构建内部空间感感兴趣。麦蒙说:“昆虫的大脑很小，它们清楚地知道自己的行进方向，这一事实应该迫使研究人员在哺乳动物的大脑中寻找类似的信号和类似的定量操作。”
成人用品购物网“这一发现可能会揭示阿尔茨海默氏症背后功能障碍的各个方面，以及其他影响空间认知的神经障碍。”